Bryder en optisk regel:Ingeniører finder en måde at manipulere lys på nanoskala

Hvis du vil bryde en regel med stil, så sørg for at alle ser den. Det er målet for ingeniører ved Rice University, som håber at forbedre skærme til virtual reality, 3D-skærme og optiske teknologier generelt.

Gururaj Naik, en lektor i elektro- og computerteknik ved Rices George R. Brown School of Engineering, og alumnen Chloe Doiron i Applied Physics Graduate Program fandt en måde at manipulere lys på den nanoskala, der bryder Moss-reglen, som beskriver en afvejning. mellem et materiales optiske absorption og hvordan det bryder lys.

Tilsyneladende er det mere som en rettesnor end en egentlig regel, fordi der findes en række "supermossiske" halvledere. Fool's gold, aka jernkis, er en af ​​dem.

Til deres undersøgelse i Advanced Optical Materials , Naik, Doiron og medforfatter Jacob Khurgin, professor i elektro- og computerteknik ved Johns Hopkins University, finder, at jernkis fungerer særligt godt som et nanofotonisk materiale og kan føre til bedre og tyndere skærme til bærbare enheder.

Endnu vigtigere er, at de har etableret en metode til at finde materialer, der overgår Moss-reglen og tilbyder nyttige lyshåndteringsegenskaber til skærme og registreringsapplikationer.

"I optik er vi stadig begrænset til meget få materialer," sagde Naik. "Vores periodiske system er virkelig lille. Men der er så mange materialer, der simpelthen er ukendte, bare fordi vi ikke har udviklet nogen indsigt i, hvordan man finder dem."

"Det var det, vi ønskede at vise:Der er fysik, der kan anvendes her for at lave en kort liste over materialerne og derefter hjælpe os med at lede efter dem, der kan få os til, hvad end de industrielle behov er," sagde han.

"Lad os sige, at jeg vil designe en LED eller en bølgeleder, der fungerer ved en given bølgelængde, f.eks. 1,5 mikrometer," sagde Naik. "For denne bølgelængde vil jeg have den mindst mulige bølgeleder, som har det mindste tab, hvilket betyder, at den bedst kan begrænse lyset."

At vælge et materiale med det højest mulige brydningsindeks ved den bølgelængde ville normalt garantere succes, ifølge Moss. "Det er generelt kravet for alle optiske enheder på nanoskala," sagde han. "Materialerne skal have et båndgab lidt over bølgelængden af ​​interesse, for det er der, vi begynder at se mindre lys komme igennem."

"Silicon har et brydningsindeks på omkring 3,4 og er guldstandarden," sagde Naik. "Men vi begyndte at spørge, om vi kunne gå ud over silicium til et indeks på 5 eller 10."

Det fik dem til at søge efter andre optiske muligheder. Til det udviklede de deres formel til at identificere super-mossiske dielektrika.

"I dette arbejde giver vi folk en opskrift, der kan anvendes på den offentligt tilgængelige database med materialer for at identificere dem," sagde Naik.

Forskerne slog sig til ro med eksperimenter med jernkis efter at have anvendt deres teori på en database med 1.056 forbindelser, hvor de søgte i tre båndgab-intervaller efter dem med de højeste brydningsindekser. Tre forbindelser sammen med pyrit blev identificeret som super-mossiske kandidater, men pyrits lave omkostninger og lange brug i fotovoltaiske og katalytiske applikationer gjorde det til det bedste valg til eksperimenter.

"Fool's guld er traditionelt blevet undersøgt i astrofysik, fordi det almindeligvis findes i interstellare affald," sagde Naik. "Men i forbindelse med optik er det lidt kendt."

Han bemærkede, at jernkis er blevet undersøgt til brug i solceller. "I den sammenhæng viste de optiske egenskaber i de synlige bølgelængder, hvor det virkelig er tabsgivende," sagde han. "Men det var et fingerpeg for os, for når noget er ekstremt tabsgivende i de synlige frekvenser, vil det sandsynligvis have et meget højt brydningsindeks i det nær-infrarøde."

Så laboratoriet lavede jernkisfilm af optisk kvalitet. Test af materialet afslørede et brydningsindeks på 4,37 med et båndgab på 1,03 elektronvolt, hvilket oversteg den præstation, som Moss-reglen forudsagde med omkring 40%.

Det er fantastisk, sagde Naik, men søgeprotokollen kunne - og vil sandsynligvis - finde materialer, der er endnu bedre.

"Der er mange kandidater, hvoraf nogle ikke engang er blevet stillet," sagde han. + Udforsk yderligere

Omgivende lys ændrer brydning i 2D-materiale